Materiály pro mikroelektroniku a nanoanalytika

© Fraunhofer IKTS
Keramické postřikovací granálie při mechanickém zatížení in situ v okamžiku zlomení.

Nové materiály jsou v dnešní době v oblasti mikroelektroniky a nanoelektroniky hnací silou inovací. Materiálové parametry s rozsáhlou stupnicí a solidní znalosti o kompatibilitě jednotlivých materiálů ve vrtsvách jsou rozhodující pro integraci nových materiálů jak do výrobních procesů, tak pro funkčnost, výkonnost a spolehlivost mikroelektronických součástek. Přesné termomechanické parametry pro materiály jak pro polovodičové destičky (wafery) tak pro moderní techniky konstrukce a spojů – včetně 3D integrace – jsou nezbytné jako vstupní paramtery pro simulaci konečných prvků (FEM). Lokální naměřené hodnoty, např. pro mechanická napětí, slouží validaci a kalibraci fyzikálních modelů pro odhad výkonnosti a spolehlivosti mikroelektronických a nanoelektronických konstrukčních prvků.

Oddělení »Mikroelektronika und nanoanalytika« nabízí svou šířkou jedinečnou infrastrukturu elektronových, iontových a rentgenových mikroskopů s vysokým rozlišením a nabízí partnerům z průmyslu a výzkumu kompetentní poradenství, analytiku a metodický vývoj. Především mechanické napětí může být stanoveno až do nanometrického měřítka. Širokospektrální analýzy termomechanického chování mikročipů a systémů nabízejí informace k mechanizmům, které vymezují jejich spolehlivost v mikroelektronických konstrukčních prvcích, např. k takzvané Chip-Package Interaction (CPI).

Díky úzkému propojení s dalšími saskými Fraunhoferovými instituty v Drážďanském klastru Nanoanalytika a v rámci asociace DRESDEN concept jsou prováděny výzkumné a vývojové aktivity od základního výzkumu až po implementaci v průmyslu – podél celého hodnotového a inovačního řetězce. Stěžejní kompetencemi jsou nedestruktivní rentgenová tomografie s vysokým rozlišením k vyměření mikro a nanostruktur, ale také k nedestruktivní lokalizaci vad, a dále kombinace elektronové, iontové a rentgenové mikroskopie s mikro- a nanomechanickými testy jako i fyzikální analýza vad k objasnění poškozujících a výpadkových mechanismů v mikroelektronických konstrukčních prvcích.

 

Nabídka služeb#

 

  • Nedestruktivní analýza stavu materiálů s vysokým rozlišením
  • Charakterizace mikrostruktur a nanostruktur mikroskopickými metodami (rastrovací silový mikroskop s/bez ultrazvukového podnětu, fokusovaný iontový svazek (FIB), ultrazvuková mikroskopie, rastrová a transmisní elektronová mikroskopie)
  • Základní výzkum
  • Analytika na zakázku

Nanomateriály a analytika#

Charakterizace mikro- a nanostruktur pomocí elektronové mikroskopie a spektroskopie#

 

Odborníci na Fraunhofer IKTS používají pro charakterizaci multifyzikální a s rozsáhlým měřítkem, pro hodnocení a analýzu stavu materiálů elektronovou/iontovou mikroskopii, rentgenové techniky, ale i metody k určování jejich nanomechanických vlastností s vysokým rozlišením.

Metody elektronové mikroskopie se využívají k zobrazení a analýze nejrůznějších materiálů a kontrukčních dílů a to s vysokou kvalitou rozlišení. Tyto metody tak nabízí odpovědi na následující otázky:

  • Jaké prvkové složení má sraženina na rozhraní mezi kovem a keramikou?
  • Jak velká jsou mechanická napětí v substrátu křemíku vedle Cu-TSV?
  • Funguje proces depozice pro tenké filmy (tloušťka, morfologie) nebo TSV (kompletní náplň, póry)?
  • Jak se odlišují filtrovací materiály s ohledem na rozložení velikosti pórů a jak vypadá síť pórů z trojdimenzionální perspektivy?
  • Jakým způsobem dochází k selhání dielektrického materiálu v mikročipu?
  • Jaké rozměry mají nanostruktury, jsou krystalické a jakou orientaci mají?

 

Rentgenová mikroskopie / Rentgenová nanotomografie#

 

Metoda rentgenové mikroskopie se na Fraunhofer IKTS IKTS využívá k analýze struktur a chyb v materiálech. Na ní staví i metoda rentgenové tomografie. Tato metoda umožňuje nedestruktivní zkoušky materiálů používaných jak pro výrobu struktur, tak i pro jejich funkcionalizaci, a to mikroskopicky s rozlišením až do 50 nm.

Hlavními oblastmi využití je vizualizace pórů, vměstků a trhlin v kompozitních materiálech (např. keramika vyztužená vlákny), nanoporézních materiálech (filtrační materiály) a mikroelektronice (Through Silicon Vias).

 

Vývoj testovací techniky a testovacích metod pro mikro- a nanostruktury#

 

Nové materiály a výrobní technologie v oblasti technologie tenkých vrstev a nanotechnologie, ale i pro aplikace v biologii a medicíně vyžadují nové testovací metody.

Pracovní skupina »Mikro- a nanoanalytika« na Fraunhofer IKTS disponuje jedinečnou širokou infrastrukturou mikroskopických metod s velmi vysokým rozlišením a kontinuálně vyvíjí inovativní teoretické, experimentální a technologicky zaměřené metody a zařízení, které budou schopné nabízet odpovědi na otázky perspektivních oblastí jako jsou nanotechnologie.

Kombinací různých technik a a hlubokého know-how na poli procesů a metod je možné řešit náročné případy, které by pouze pomocí charakterizační techniky nebylo možné vyřešit.

 

Nabídka služeb#

 

  • Cílová preparace mikroskopických vzorků konstrukčních dílů a jejich skupin (mechanicky, analýza na mokré cestě a s FIB (Focussed Ion Beam)
  • FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscopes) s vysokým rozlišením a Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX)
  • Mikroskopie s kontrastem
  • Schaltungsmodifikation (mit FIB und Pt-Abscheidung)
  • FIB tomografie

Nanomateriály a jejich spolehlivost v mikroelektronice#

Nové materiály a technologie jsou předpokladem pro vznik perspektivních mikroelektronických komponent.

© Fraunhofer IKTS
AFM sken zářezu v mědi.

Ty se i v budoucnu budou stále zmenšovat, budou výkonnější a zároveň spolehlivější. Pracovní skupina »Nanomateriály a jejich spolehlivost v mikroelektronice« na Fraunhofer IKTS je v oblastech polovodičové, spotřebitelské a automobilové elektroniky na světové špičce na poli mikro- a nanomechanické materiálové diagnostiky a komplexních analýz spolehlivosti.

Základem práce pracovní skupiny jsou rozsáhlé znalosti materiálů a výrobních technologií. Pomocí charakterizačních metod jsou časově a místně objasňovány degradační mechanismy (migrace stresu, elektromigrace, time dependent dielectric breakdown). Stanovené parametry slouží jako základ pro modelaci a simulaci a jsou začleněny do širokospektrální materiálové databáze nejrůznějších materiálových tříd v měřítku mikro a nano. K tomu slouží na Fraunhofer IKTS nejmodernější technické vybavení pro mikro- a nanoindentaci, in-situ indentaci (SEM, TEM), měření adheze, four-point bending test a double-cantilever beam. Se zřetelem na konstrukční procesy komplexních elektronických systémů jsou charakterizovány limitující faktory, které jsou dále popsány a využity pro optimalizaci spolehlivosti a životnosti systémů v nanoměřítku.

Díky úzké spolupráci s Drážďanským Fraunhofer-klastrem Nanoanalytika (DFCNA) a Drážďanským Centrem pro nanoanalýzu (DCN) se sídlem na Technické Univerzitě Drážďany nabízí Fraunhofer IKTS jedinečnou technickou infrastrukturu, metodické znalosti a dlouholeté zkušenosti. Pracovní skupina kooperuje s předními výrobci v polovodičovém průmyslu, ale také s vědeckými institucemi po celém světě v rámci národních i mezinárodních projektů. Cílem je svým know-how v oblasti nanotechnologií umožnit vznik vylepšených produktů na makroúrovni.